,C++20
Rainer Grimm
This book is for sale at http://leanpub.com/c20
This version was published on 2023-09-13
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Lean Publishing is the act of publishing an in-progress ebook using lightweight tools and many
iterations to get reader feedback, pivot until you have the right book and build traction once you do.
© 2020 - 2023 Rainer Grimm
,Contents
Reader Testimonials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
Conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
Special Fonts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
Special Boxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Source Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Compilation of the Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
How should you read the Book? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Personal Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
About Me . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
About C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. Historical Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1 C++98 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 C++03 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 TR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 C++11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 C++14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.6 C++17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 Stage 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Stage 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Stage 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
A Quick Overview of C++20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3. C++20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
, CONTENTS
3.1 The Big Four . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1.1 Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1.2 Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.3 The Ranges Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.4 Coroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 Core Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.1 Three-Way Comparison Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.2 Designated Initialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.3 consteval and constinit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.4 Template Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.5 Lambda Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.6 New Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3 The Standard Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.1 std::span . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.2 Container Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.3 Arithmetic Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.4 Formatting Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.5 Calendar and Time Zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 Concurrency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.1 Atomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.2 Semaphores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.3 Latches and Barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.4 Cooperative Interruption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.5 std::jthread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.6 Synchronized Outputstreams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
The Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4. Core Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1 Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.1 Two Wrong Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.2 Advantages of Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.3 The long, long History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.4 Use of Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.5 Constrained and Unconstrained Placeholders . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.6 Abbreviated Function Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.7 Predefined Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.8 Define Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.9 Requires Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.10 User-Defined Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.1 A First Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
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This is a Leanpub book. Leanpub empowers authors and publishers with the Lean Publishing process.
Lean Publishing is the act of publishing an in-progress ebook using lightweight tools and many
iterations to get reader feedback, pivot until you have the right book and build traction once you do.
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Reader Testimonials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
Conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
Special Fonts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
Special Boxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Source Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Compilation of the Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
How should you read the Book? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Personal Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
About Me . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
About C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. Historical Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1 C++98 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 C++03 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 TR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 C++11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 C++14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.6 C++17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 Stage 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Stage 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Stage 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
A Quick Overview of C++20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3. C++20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
, CONTENTS
3.1 The Big Four . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1.1 Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1.2 Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.3 The Ranges Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.4 Coroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 Core Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.1 Three-Way Comparison Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.2 Designated Initialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.3 consteval and constinit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.4 Template Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.5 Lambda Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.6 New Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3 The Standard Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.1 std::span . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.2 Container Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.3 Arithmetic Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.4 Formatting Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.5 Calendar and Time Zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 Concurrency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.1 Atomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.2 Semaphores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.3 Latches and Barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.4 Cooperative Interruption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.5 std::jthread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.6 Synchronized Outputstreams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
The Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4. Core Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1 Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.1 Two Wrong Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.2 Advantages of Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.3 The long, long History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.4 Use of Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.5 Constrained and Unconstrained Placeholders . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.6 Abbreviated Function Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.7 Predefined Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.8 Define Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.9 Requires Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.10 User-Defined Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.1 A First Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
